CN109735441A - 一种基因测序芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基因测序芯片及其制备方法，该基因测序芯片包括：第一固体基板、第二固体基板以及位于第一固体基板和第二固体基板之间的涂胶区和反应室；所述涂胶区直接包围反应室；所述第一固体基板和第二固体基板之间设置有支撑层。该方法采用在第一固体基板和第二固体基板对应的区域进行表面化学修饰以形成涂胶区和反应室，使得涂胶区直接包围反应室；并在第一固体基板和第二固体基板之间设置支撑层，限制两基板之间的距离。本发明的基因测序芯片中，在涂胶区和反应室之间不需要隔离带，相对于使用隔离带的方法在相同的反应室面积的前提下提高了封装强度；与基板刻蚀的方法相比，降低了生产成本。

Description

一种基因测序芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物化学检测芯片，属于生物、化学检测领域。更具体的说，本发明涉及一种基因测序芯片及其制备方法。

背景技术

近年来，生物芯片或者微流控芯片的研究引起了越来越广泛的关注。典型的微流控芯片一般是指把生物、化学方面的反应、分析、检测等过程集成到一块具备微米尺寸检测单元的芯片上去。微流控芯片的生产工艺中，芯片封装是很重要的部分。微流控芯片或者说生物化学检测芯片，因为涉及到很多的流体，并且根据需要会有高温或者高压的条件，导致对芯片封装工艺的要求越来越多。常见的微流控芯片是PDMS类型或者玻璃类型的芯片。一般的PDMS芯片利用聚合物表面的活化基团同其他表面共价键合从而达到封装的目的。一般的玻璃芯片可以通过热键合进行封装。现在，随着各种芯片制备材料的增加，普通的芯片封装方法已经不适用于特殊材料。

基因测序是一种新型基因检测技术，能够从血液或者人体附属物中分析测定基因序列，预测患多种疾病的可能性，如癌症或白血病等。基因测序相关产品和技术已由实验室研究演变到临床使用。基因芯片或者说测序芯片是基因测序用的芯片。目前已经有多种多样的基因测序芯片问世。基因芯片的原型是80年代中期提出的。基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法，在一块基片表面固定了序列已知的靶核苷酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度，获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出待测核酸的序列。实际使用的时候，测序芯片有很多指标，比如耐压性，荧光性等等。现有的测序芯片有双面胶封装，液态胶封装等生产方式，其中双面胶封装的芯片耐温耐压能力较差；现有的用液态胶封装的测序芯片，主要是两种方式，一种通过隔离带(如双面胶)定义涂胶区域和反应室区域，一种是在固体基板上刻蚀出沟槽或形成凸台以限制涂胶区域和反应室区域。第一种方法隔离带与反应室，涂胶区处于同一个平面，会互相竞争面积，在达到一定的耐压性能的条件下，可用的反应室面积会比较小。第二种方法需要在一个固体基板上进行较大面积的，指定形状的刻蚀，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种液态胶封装的基因测序芯片及其制备方法，通过在固体基板上进行分区域的表面化学修饰，使用粘度较低的液态胶，在涂胶之后，自动扩散形成指定的形状，无需隔离带，无需刻蚀基板，即可提高可用的反应室面积，同时降低成本。

为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种基因测序芯片，包括：第一固体基板、第二固体基板以及位于第一固体基板和第二固体基板之间的涂胶区和反应室；

所述第一固体基板上设置有流体入口和流体出口；

所述反应室位于中间，涂胶区位于反应室四周，且所述涂胶区直接包围反应室；

所述第一固体基板和第二固体基板之间设置有支撑层。

进一步的，所述涂胶区内填充有固化的液态胶，优选的，所述液态胶的粘度小于1000cps。

进一步的，所述流体入口和所述流体出口对应于所述反应室所在区域。

进一步的，所述支撑层包括多个支撑柱，用于支撑和限定所述第一固体基板和第二固体基板之间的距离。

进一步的，所述第一固体基板和所述第二固体基板为透明的固体平片，优选的，选择自玻璃、石英或有机高分子聚合物材料的任一种。

进一步的，所述支撑层选择自双面胶、PI材料、PET材料的任一种。

本发明的另一方面提供了一种如前所述的基因测序芯片的制备方法，包括如下步骤：

准备第一固体基板、第二固体基板和支撑层；

在所述第一固体基板和第二固体基板相对应的位置进行表面化学修饰，以划分涂胶区104和反应室105区域；没有进行表面化学修饰的区域为涂胶区；

将所述第一固体基板和第二固体基板对位组装，在两者之间粘贴支撑层，并使所述第一固体基板和第二固体基板的反应室和涂胶区对应设置；

对所述涂胶区进行灌胶，注入液态胶；

固化所述液态胶。

进一步的，所述准备第一固体基板、第二固体基板和支撑层的步骤包括：

对所述第一固体基板和第二固体基板进行清洗、干燥；

将所述支撑层裁切成多个预定大小的支撑柱。

进一步的，所述在所述第一固体基板和第二固体基板相对应的位置进行表面化学修饰、以形成反应室区域、没有进行表面化学修饰的区域为涂胶区的步骤包括：

在所述第一固体基板和第二固体基板的涂胶区设置遮蔽胶；

用氟代硅烷对所述第一固体基板和第二固体基板进行化学气相沉积CVD处理；

去除所述遮蔽胶；

或：

用氟代硅烷对所述第一固体基板和第二固体基板进行化学气相沉积CVD处理；

在所述第一固体基板和第二固体基板的反应室区域设置遮蔽物；

对所述第一固体基板和第二固体基板进行等离子体处理；

去除所述遮蔽物。

进一步的，所述对涂胶区进行灌胶的步骤包括：

手动灌胶：将灌入有液态胶的注射器的注射器针头伸入第一固体基板和第二固体基板之间，缓慢注入液态胶；

或，用点胶机进行自动灌胶。

综上所述，本发明提供了一种基因测序芯片及其制备方法，采用在第一固体基板和第二固体基板对应的区域进行表面化学修饰以形成涂胶区和反应室，使得涂胶区直接包围反应室；并在第一固体基板和第二固体基板之间设置支撑层，限制两基板之间的距离。本发明的基因测序芯片中，在涂胶区和反应室之间不需要隔离带，相对于使用隔离带的方法在相同的反应室面积的前提下提高了封装强度；与基板刻蚀的方法相比，降低了生产成本。

附图说明

图1(a)是第一固体基板的结构示意图；图1(b)是第二固体基板的结构示意图；图1(c)是第一固体基板和第二固体基板之间的涂胶区和反应室的结构示意图；图1(d)是第一固体基板、第二固体基板以及涂胶区和反应室叠加到一起的本发明基因测序芯片的结构示意图；

图2是本发明的基因测序芯片的横截面结构示意图；

图3是本发明的基因测序芯片的制备方法的流程示意图。

附图标记：

101：第一固体基板；102：第二固体基板；103：支撑柱；104：涂胶区；105：反应室；106：完成后的芯片；107：流体进口、流体出口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的第一方面提供了一种基因测序芯片，如图1-2所示，包括第一固体基板101(如图1(a)所示)、第二固体基板102(如图1(b)所示)以及位于第一固体基板101和第二固体基板102之间的涂胶区104和反应室105(如图1(c)所示)。第一固体基板101、第二固体基板102以及涂胶区104和反应室105叠加后形成的芯片整体如图1(d)所示。第一固体基板101上设置有流体入口和流体出口107。

反应室105位于中间，涂胶区104位于反应室105四周，且涂胶区104直接包围反应室105，中间没有隔离带，涂胶区104内有固化的液态胶。本发明与现有技术相比，不需要在涂胶区和反应室之间设置隔离带，相对于使用隔离带的方法在相同的反应室面积的前提下提高了封装强度。例如反应室长侧边宽度为1.5毫米，如果用0.5毫米的隔离带和1毫米的液态胶封装，本发明用1.5毫米的液态胶封装，封装强度提高约50％。而且采用隔离带的液态胶封装方法，在液态胶固化时，有可能因为液态胶收缩，导致基板的平面度变差，本发明没有此种隐患。

第一固体基板101和第二固体基板102之间设置有支撑层，具体的，支撑层设置为位于涂胶区104四角的双面胶支撑柱103。支撑柱103的高度决定了涂胶区104和流体反应室105的高度(三者高度相同)。

进一步的，涂胶区104内填充有固化的液态胶，优选的，液态胶的粘度小于1000cps。

进一步的，流体入口和流体出口对应于反应室105所在区域，以便于进行基因测序检测时注入和流出待测物液体。

进一步的，支撑层包括多个支撑柱，用于支撑和限定第一固体基板101和第二固体基板102之间的距离。

进一步的，第一固体基板101和第二固体基板102为透明的固体平片，优选的，选择自玻璃、石英或有机高分子聚合物材料的任一种。

进一步的，支撑层选择自双面胶、PI材料、PET材料的任一种。

本发明的另一方面提供了一种如前的基因测序芯片的制备方法，该方法通过在两个固体基板表面分区域进行表面化学修饰，使液态胶扩散成指定的形状，从而形成了指定形状的涂胶区和反应室；通过在反应室内的生物化学反应对待测物进行检测。本发明控制液态胶扩散的原理为：洁净的玻璃/石英(固体基板)表面为亲水性，液态胶会在此种表面自由扩散，用氟代硅烷【如三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷，一氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)二甲基硅烷或(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)三甲氧基硅烷】表面修饰过的玻璃/石英表面会呈现出疏水性，液态胶在亲水表面扩散，而遇到此种疏水表面会停止扩散，或沿着亲疏水表面的分界线在亲水区域扩散。具体的，本发明的基因测序芯片的制备方法流程300如图3所示，包括如下步骤：

步骤310，准备第一固体基板101、第二固体基板102和支撑层。具体的，包括第一固体基板101、第二固体基板102的清洗和干燥；支撑层采用裁切的多个预定大小的双面胶支撑柱，可以是正方形或长方形或其他形状，例如1X1mm的小片，厚度根据反应室的需求可以调整，例如50微米，100微米，150微米等。

第一、第二固体基板可以选择透明的固体平片，例如玻璃，石英；或者有机高分子聚合物材料，例如PMMA；基板上可以有微坑等微结构，也可以没有。支撑层可以选择双面胶，有利于后面的组装，也可以选择其他固定厚度的薄膜类材料，例如PI，PET等材料。

步骤320，在第一固体基板101和第二固体基板102相对应的位置进行表面化学修饰，以划分涂胶区104和反应室105区域；没有进行表面化学修饰的区域为涂胶区104。

涂胶区应为不进行表面化学修饰的亲水区，反应室区域为进行表面化学修饰的疏水区。设计反应室区应包含基板上的流体进、出口。

具体的，可采用两种方法：

(1)在第一固体基板101和第二固体基板102的涂胶区104设置遮蔽胶：在不需要进行表面化学修饰的区域(涂胶区)贴上遮蔽胶(例如丙烯酸类的nitto HJ3160W)；

用氟代硅烷对第一固体基板101和第二固体基板102进行化学气相沉积CVD处理；该氟代硅烷可选自三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷、一氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)二甲基硅烷或(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)三甲氧基硅烷；

然后揭下遮蔽胶。

(2)用氟代硅烷对第一固体基板101和第二固体基板102进行化学气相沉积CVD处理；该氟代硅烷选自三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷、一氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)二甲基硅烷或(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)三甲氧基硅烷；

在第一固体基板101和第二固体基板102的反应室105区域设置遮蔽物：在希望保留表面修饰的区域(反应室区域)贴上遮蔽物(例如PDMS平片)，进行等离子体plasma处理；

然后揭下遮蔽物。

步骤330，将第一固体基板101和第二固体基板102对位组装，在两者之间粘贴支撑层，并使第一固体基板101和第二固体基板102的反应室105和涂胶区104对应设置。具体的，在第二固体基板四个角贴上双面胶支撑柱103，揭下支撑柱103上的离型纸，然后对位组装到第一固体基板上(根据具体的芯片设计对位)，需保证两个基板分区域进行化学修饰的表面相对，且疏水区对齐。

步骤340，对涂胶区104进行灌胶，注入液态胶。可采用手动和自动两种方法。

(1)手动灌胶：手动灌胶方法为用注射器涂胶，注射器内灌入液态胶(需选择粘度较小的液态胶，例如粘度不大于1000cps)，注射器针头贴在第二固体基板侧面与第一固体基板的夹角中，注射器针头尖端处于第二固体基板与第一固体基板之间，缓慢推出液态胶的同时沿长边移动，注意避免液态胶过多溢到第二固体基板上表面。依次在两个长边涂胶，每边约20微升(此数值根据具体支撑柱高度和涂胶区面积计算得到)。等待液态胶扩散至整个涂胶区。

(2)用点胶机进行自动灌胶。

步骤350，固化液态胶。如使用的是紫外胶，需用紫外灯进行固化。

经过上述步骤得到基因测序芯片，如图1(d)和2所示，106为完成后的芯片，101为第一固体基板，107为进样口或出样口，102为第二固体基板，103为支撑柱，104为第二固体基板上的涂胶区，即亲水区，在完整芯片中，这是一个液态胶固化后的薄层(例如0.1毫米厚)；105为第二固体基板上的反应室区，即疏水区，在完整芯片中，这是一个有一定厚度(例如0.1毫米)的空腔。

本发明的上述方法与基板刻蚀的方法相比，降低了生产成本。基板大面积刻蚀，例如采用湿法刻蚀的方法，有较高的加工成本。且本方法的两个固体基板都可以使用平片，是所有形状中最便宜的，进一步降低了生产成本。

为了进一步说明本发明，以下结合具体的实施例对本发明提供的一种基因测序芯片的制备方法进行详细描述，但是应当理解，该实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。

实施例1,

芯片结构分为3层，由下向上为第一固体基板101，涂胶区104+反应室105+支撑柱103，第二固体基板102，如图2中所示。

第一固体基板101为尺寸25X75X1mm的玻璃，带两个直径1mm的进出样孔107；第二固体基板102为含微坑结构的石英片，尺寸为20X45X0.7mm；支撑柱103为4个1X1mm的双面胶，厚度为0.1mm；胶水为某种低粘度的紫外胶；反应室区域的表面化学修饰为三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷。按照发明内容中芯片生产方法的步骤进行生产。

1)准备第一固体基板101、第二固体基板102和支撑层。包括第一固体基板，第二固体基板的清洗，干燥；裁切双面胶支撑柱。

第一固体基板和第二固体基板首先用丙酮进行超声清洗5分钟，然后用异丙醇进行超声清洗5分钟，然后用超纯水进行超声清洗5分钟。然后依次使用10％NaOH/45％水/45％乙醇溶液，4％HCl/12％H2O2/84％水溶液，超纯水清洗；然后用高纯氮气吹干。

双面胶采用Nitto HJ3160W裁切成1X1毫米的小片。

2)第一、第二固体基板分区域进行表面化学修饰。第二固体基板涂胶区104应为不进行表面化学修饰的亲水区，反应室区域105为进行表面化学修饰的疏水区；第一固体基板的涂胶区及反应室区域应该与第二固体基板对应相同的位置。设计反应室区域应包含基板上的流体进出口107。

可用两种方法：

在不需要进行表面化学修饰的区域(涂胶区域104)，贴上遮蔽胶(例如丙烯酸类的nitto HJ3160W)，进行CVD(化学气相沉积)氟代硅烷(如三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷，处理，然后揭下遮蔽胶。

或，整片进行表面化学修饰，CVD(化学气相沉积)氟代硅烷(如三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷)处理，然后在希望保留表面修饰的区域(反应室区域)贴上遮蔽物(例如PDMS平片)，进行空气plasma处理，例如10至400秒，然后揭下遮蔽物。

3)将第一固体基板101和第二固体基板102对位组装。在第二固体基板102的四个角贴上双面胶支撑柱103，揭下支撑柱103上的离型纸，然后对位组装到第一固体基板101上(根据具体的芯片设计对位)，需保证两个基板分区域修饰的表面相对，且亲水区和疏水区对齐。

4)涂胶区灌胶。可采用手动和自动两种方法。

手动方法为用注射器涂胶，注射器内灌入液态胶(需选择粘度较小的，例如不大于1000cps)，注射器针头贴在第二固体基板侧面与第一固体基板的夹角，针头尖端处于第二固体基板与第一固体基板之间，缓慢推出胶水的同时沿长边移动，注意避免胶水过多溢到第二固体基板的上表面。依次在两个长边涂胶，每边约30微升(此数值根据具体支撑柱高度和涂胶区面积计算得到)。等待胶水扩散至整个涂胶区。

或者采用自动灌胶，可采用点胶机进行自动灌胶。

5)胶水固化。如使用的是紫外胶，需用紫外灯进行固化。

由于上述方法无需设置隔离带，也无需刻蚀基板，得到的基因测序芯片可提高可用的反应室面积，同时降低成本。

综上所述，本发明提供了一种基因测序芯片及其制备方法，采用在第一固体基板和第二固体基板对应的区域进行表面化学修饰以形成涂胶区和反应室，使得涂胶区直接包围反应室；并在第一固体基板和第二固体基板之间设置支撑层，限制两基板之间的距离。本发明的基因测序芯片中，在涂胶区和反应室之间不需要隔离带，相对于使用隔离带的方法在相同的反应室面积的前提下提高了封装强度；与基板刻蚀的方法相比，降低了生产成本。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基因测序芯片，其特征在于，包括：第一固体基板、第二固体基板以及位于第一固体基板和第二固体基板之间的涂胶区和反应室；

所述第一固体基板上设置有流体入口和流体出口；

所述反应室位于中间，涂胶区位于反应室四周，且所述涂胶区直接包围反应室；

所述第一固体基板和第二固体基板之间设置有支撑层。

2.根据权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述涂胶区内填充有固化的液态胶，优选的，所述液态胶的粘度小于1000cps。

3.根据权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述流体入口和所述流体出口对应于所述反应室所在区域。

4.根据权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述支撑层包括多个支撑柱，用于支撑和限定所述第一固体基板和第二固体基板之间的距离。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基因测序芯片，其特征在于，所述第一固体基板和所述第二固体基板为透明的固体平片，优选的，选择自玻璃、石英或有机高分子聚合物材料的任一种。

6.根据权利要求1-4任一项所述的基因测序芯片，其特征在于，所述支撑层选择自双面胶、PI材料、PET材料的任一种。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的基因测序芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

准备第一固体基板、第二固体基板和支撑层；

在所述第一固体基板和第二固体基板相对应的位置进行表面化学修饰，以划分涂胶区104和反应室105区域；没有进行表面化学修饰的区域为涂胶区；

将所述第一固体基板和第二固体基板对位组装，在两者之间粘贴支撑层，并使所述第一固体基板和第二固体基板的反应室和涂胶区对应设置；

对所述涂胶区进行灌胶，注入液态胶；

固化所述液态胶。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述准备第一固体基板、第二固体基板和支撑层的步骤包括：

对所述第一固体基板和第二固体基板进行清洗、干燥；

将所述支撑层裁切成多个预定大小的支撑柱。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在所述第一固体基板和第二固体基板相对应的位置进行表面化学修饰、以形成反应室区域、没有进行表面化学修饰的区域为涂胶区的步骤包括：

在所述第一固体基板和第二固体基板的涂胶区设置遮蔽胶；

用氟代硅烷对所述第一固体基板和第二固体基板进行化学气相沉积CVD处理；

去除所述遮蔽胶；

或：

用氟代硅烷对所述第一固体基板和第二固体基板进行化学气相沉积CVD处理；

在所述第一固体基板和第二固体基板的反应室区域设置遮蔽物；

对所述第一固体基板和第二固体基板进行等离子体处理；

去除所述遮蔽物。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述对涂胶区进行灌胶的步骤包括：

手动灌胶：将灌入有液态胶的注射器的注射器针头伸入第一固体基板和第二固体基板之间，缓慢注入液态胶；

或，用点胶机进行自动灌胶。